Wärmebehandlungsprozess

Wärmebehandlungsprozess – Erklärung

Die mechanischen Eigenschaften eines Metalls oder einer Legierung können durch die Anwendung eines Herstellungsverfahrens namens Wärmebehandlung verbessert oder an unsere gewünschten Anforderungen angepasst werden. Die Wärmebehandlung wird während verschiedener Stufen des Herstellungsprozesses eingesetzt, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Es kann verwendet werden, um die Probe mechanisch fest oder hart zu machen. Wenn es unter kontrollierter Atmosphäre durchgeführt wird, kann es die Probe duktiler und formbarer machen. Manchmal können Metallbearbeitungen wie Schweißen oder Schmieden dazu führen, dass die Probe ihre Eigenschaften verändert, folglich kann eine Wärmebehandlung verwendet werden, um die Eigenschaften der Probe auf die Bedingungen vor der Bearbeitung wiederherzustellen.

Eine wichtige Überlegung beim Ändern der mechanischen Eigenschaften eines Metalls oder einer Legierung ist die Tatsache, dass ein Kompromiss zwischen verschiedenen bevorzugten Eigenschaften eingegangen werden sollte. Im Allgemeinen führt die Verbesserung einer Eigenschaft zum Verlust einer anderen wünschenswerten Eigenschaft. Wenn Sie beispielsweise die Probe stärker oder härter machen, kann dies zu einem Verlust der Duktilität führen, wodurch das Material spröder wird. In ähnlicher Weise wird der Spannungsabbau das Material duktiler, jedoch weniger fest machen.

Wärmebehandlungsprozess – Arbeiten

Metalle und ihre Legierungen haben eine kristalline Struktur, die aus kleinen Einheiten besteht, die als Kristallgitter bezeichnet werden. Diese Gitter wachsen, um Kristallkörner zu bilden. Die Ausrichtung und Größe dieser Körner sind entscheidend für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Materials. Kleinere Korngrößen ergeben widerstandsfähigere, stärkere und zähere Proben, während größere Korngrößen zu einem duktilen Material mit geringerer Zugfestigkeit führen. Daher kann uns die Kontrolle der Umgebung des Herstellungsprozesses ermöglichen, das Kornwachstum und folglich die Eigenschaften unseres Materials zu manipulieren. Diese Manipulation kann durch einen Wärmebehandlungsprozess erfolgen, bei dem die Probe eines Metalls oder einer Legierung auf extreme Temperaturen erhitzt wird, manchmal bis zu 2400 F, aber normalerweise unter ihrem Schmelzpunkt. Dieses erhitzte Material wird dann einige Zeit auf dieser hohen Temperatur gehalten und abkühlen gelassen. Daher kann eine sorgfältige Überwachung und Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses zu einem Material mit wünschenswerten Eigenschaften führen.

Wärmebehandlungsprozess – Stufen

Um die erforderlichen Eigenschaften zu erhalten, muss der Wärmebehandlungsprozess sorgfältig durchgeführt werden. Maßgebend für den Erfolg des Wärmebehandlungsprozesses sind die drei Verfahrensschritte.

1. Heizung
2. Einweichen
3. Kühlung

I. Heizung:

Die erste Stufe des Wärmebehandlungsprozesses ist das Erhitzen des Materials auf eine bestimmte hohe Temperatur. Der Erwärmungsprozess ist wichtig, da er zu einer Änderung der Mikrostruktur des Materials führt und infolgedessen eine Änderung der Eigenschaften auftritt. Das Erhitzen muss langsam und allmählich erfolgen, um jeglichen Temperaturgradienten über der Materialprobe zu beseitigen. Bei schneller Durchführung können im Gitter Thermoschocks auftreten, die es spröde und störanfällig machen. Die Heizanforderungen hängen von mehreren Faktoren ab und variieren von Probe zu Probe. Einige der Faktoren, die die Heiztemperaturen beeinflussen, sind:

1. Die Leitfähigkeit des Materials: Je höher die Leitfähigkeit des Materials, desto schneller erfolgt die Wärmeübertragung.
2. Vorhandener Zustand des Materials: Die vorbearbeiteten wie geschweißten oder geschmiedeten Proben haben erhöhte thermische Spannungen und müssen daher langsamer erwärmt werden.
3. Die Geometrie der Probe: Eine Probe mit unregelmäßigem Querschnitt erfordert eine langsamere Abkühlung als eine Probe mit kleiner oder regelmäßiger Geometrie.

II. Einweichen:

Die nächste Stufe im Wärmebehandlungsprozess ist die Durchwärmphase. Dabei wird die erhitzte Probe für eine gewisse Zeit auf hoher Temperatur gehalten. Die Einweichphase ist entscheidend für die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Materials, da in dieser Phase das innere Kristallgitter und die Körner ihre endgültige Form annehmen. Die Mikrostruktur von kristallinem Metall oder Legierung wächst in Abhängigkeit von der Einweichzeit des Materials.

Die Durchwärmzeiten hängen auch von der Geometrie des Materials ab, das dem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird. Materialien mit größeren Querschnitten erfordern eine längere Einweichzeit, um eine Wärmediffusion durch ihr Kristallgitter zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu benötigen Materialien mit kleineren Flächen und regelmäßigen Geometrien keine lange Zeit zum Einweichen.

III. Kühlung:

Die nächste und letzte Stufe der Wärmebehandlung eines Metalls oder einer Legierung besteht darin, das erhitzte Material wieder auf normale Raumtemperatur zu bringen. Dieser Schritt ist auch entscheidend für die endgültigen Eigenschaften des Materials und sollte sorgfältig durchgeführt werden. Kühlraten bestimmen die Härte, Festigkeit und Duktilität des Endprodukts. Wenn es schnell durchgeführt wird, wird ein härteres und stärkeres Material erreicht, aber die Duktilität wird beeinträchtigt. Langsamere Abkühlungsgeschwindigkeiten können jedoch ein duktiles Material liefern, aber die Festigkeit liegt auf einem niedrigeren Niveau.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Kühlmedium. Die Kühlung kann durch das Einbringen von Kühlmedien wie Öl, Wasser oder Sole oder durch die Einwirkung von Luftströmen erfolgen. Die Auswahl eines Kühlmediums hängt neben den gewünschten Endeigenschaften auch von der Art des Materials ab, das dem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird. Ein ungeeignetes Kühlmedium kann zu Verzug und Rissbildung des Materials führen. Daher sollten umfangreiche Recherchen durchgeführt werden, bevor Sie das Kühlmittel für Ihr Material auswählen.

Wärmebehandlungsprozess – Techniken

Die Steuerung der oben genannten Stufen kann zu unterschiedlichen Eigenschaften führen, und um somit ein Material mit wünschenswerten Eigenschaften zu erhalten, gibt es verschiedene Techniken der Wärmebehandlung, die im Folgenden erwähnt werden:

1. Glühen
   Glühen ist der Wärmebehandlungsprozess, der normalerweise bei Temperaturen oberhalb der Kristallisationstemperatur durchgeführt wird, gefolgt von langsamer Abkühlung, normalerweise durch Luft. Dieses Verfahren wird im Allgemeinen bevorzugt, wenn die Duktilität eines Metalls oder einer Legierung erwünscht ist und seine Härte verringert werden soll. Dadurch wird ein Metall oder seine Legierung für die Kaltumformung vorbereitet. Ferner können die durch die Kaltbearbeitung erzeugten Spannungen und Versetzungen durch die Wärmebehandlung unter Verwendung der Glühtechnik entfernt werden.
   Das Glühen bricht, wenn es durchgeführt wird, zuerst das vorhandene Kristallgitter und die Kornstruktur durch Erhitzen über die Kristallisationstemperatur des Kristalls hinaus und lässt dann die feinkörnige Struktur allmählich wachsen. So werden Versetzungen entfernt und die Duktilität verbessert.
2. Einsatzhärten
   Einsatzhärten ist eine weitere Technik des Wärmebehandlungsprozesses, die zur Verbesserung der Härte des Metalls oder der Legierung eingesetzt wird. Diese Technik härtet im Gegensatz zu anderen Wärmebehandlungsverfahren nur die äußere Oberfläche des Materials, während die mechanischen Eigenschaften des Kerns unverändert bleiben. Diese Technik ist kostengünstig und wird manchmal anderen Wärmebehandlungsmethoden vorgezogen, da sie ein gehärtetes Äußeres mit intakter Duktilität des Kerns liefert.
   Das Einsatzhärten erfolgt durch Erhitzen auf hohe Temperaturen, gefolgt von einem Einweichen, aber das Abkühlen erfolgt schnell. Diese Abschrecktechnik erlaubt es den inneren Kristallstrukturen nicht, ihre Mikrostruktur durch abruptes Abkühlen zu verändern. Eine schnelle Abkühlung kann durch Abschrecken in einem Kühlmedium wie Wasser oder Öl erreicht werden.
3. Anlassen
   Manchmal wird, nachdem das Material durch Abschrecken und schnelles Abkühlen gehärtet wurde, eine andere Wärmebehandlungstechnik verwendet, um die Härte des Materials zu verringern und seine Zähigkeit zu verbessern. Der Härtungsprozess kann zu einer Sprödigkeit des Materials führen, die manchmal eine unerwünschte Eigenschaft ist und die Verwendbarkeit des Materials beeinträchtigen kann. Daher wird Anlassen verwendet, um die Härte und Sprödigkeit zu verringern, um die Duktilität der Probe zu verbessern.
   Das Anlassen erfolgt üblicherweise durch erneutes Erhitzen des abgeschreckten Materials auf Temperaturen, die üblicherweise unter kritischen Temperaturen liegen. Dieses erhitzte Material wird dann luftgekühlt. Dadurch wird die Härte etwas reduziert, wodurch das Material duktiler und weniger spröde wird.
4. Durch Härten
   Das Durchhärten ähnelt dem Einsatzhärten, da es die Härte des Materials verbessert. Im Gegensatz zum Einsatzhärten härtet dieser Wärmebehandlungsprozess jedoch das Material in der gesamten Probe und nicht nur an der Außenseite.

Wärmebehandlungsprozess – Spezifikationen

Normalerweise reicht die Verarbeitungstechnik bei der Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses nicht aus, um das Produkt vollständig zu verstehen. Bestimmte Spezifikationen sind erforderlich, um die gewünschten endgültigen Eigenschaften richtig zu verstehen. Diese Spezifikationen sind:

1. Einsatzhärten:
   Im Allgemeinen gibt es bei der Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses zum Einsatzhärten zwei Arten von Spezifikationen, dh effektive Einsatztiefe und Gesamteinsatztiefe.
   Für dünnere Gehäuse nach der Wärmebehandlung werden effektive Gehäusetiefenspezifikationen verwendet. Sie erwähnen die Tiefe der Kohlenstoffdiffusion von der Oberfläche. Für dickere Gehäuse wird die Gesamtgehäusetiefe angegeben. Dieser misst den Abstand von außen in das Gehäuse hinein und drückt den Härtegrad aus. Diese Härtegrade werden normalerweise auf der Rockwell-Skala B (HRB) ausgedrückt.
2. Durch Härten
   Die Durchhärtung wird in der Regel durch die Härtegrade angegeben. Diese Werte werden normalerweise als Toleranzbereich ausgedrückt, da das Erreichen eines einheitlichen Härteniveaus schwierig in der Geometrie zu ändern ist. Es verwendet die Rockwell-Härteskala C (HRC), um die Härtegrade einzutragen.
3. Glühen
   Das Glühen wird auch durch die Rockwell-Härteskala C (HRC) angegeben.